流体工学の問題

内径 $D=0.050\mathrm{m}$ で太さが一定の円管の中を、水が満たして平均流速 $V=2.0m/s$ で定常に流れている。水は管上の点 1 から点 2 へ向かって流れている。点 1 から点 2 までの管の長さ（管路に沿った長さ）は $L=40\mathrm{m}$ で、点 2 は点 1 より $5.0\mathrm{m}$ 高い位置にある。点 1 と点 2 の間には、$90^{\circ }$ エルボが 2 個（損失係数はそれぞれ $0.30$）と仕切弁が 1 個（損失係数 $0.20$）ある。

管摩擦係数を $\lambda =0.025$ とし、管摩擦損失水頭はダルシー・ワイスバッハの式 $h_f=\lambda \frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}$、局所損失水頭は（損失係数）$\times \frac{V^2}{2g}$ で表されるとする。損失はこれらだけとし、水は非圧縮性とみなす。水の密度を $\rho =1.0\times 10^{3}kg/{\mathrm{m}}^3$、重力加速度の大きさを $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とする。点 1 の圧力（ゲージ圧）が $300\mathrm{kPa}$ のとき、点 2 の圧力（ゲージ圧）は何 $\mathrm{kPa}$ か。有効数字 3 桁で求めよ。

大気に開放された 2 つの大きな水槽 A, B が、内径 $D=0.10\mathrm{m}$、全長 $L=50\mathrm{m}$ のまっすぐな円管で結ばれており、管の途中には弁が 1 つある。水槽 A の水面は水槽 B の水面より $H=4.0\mathrm{m}$ 高く、水は A から B へ管を満たして定常に流れている。両水槽は十分に大きく、水面の高さは変わらないものとする。

管内の平均流速を $V$ とし、損失ヘッドは次のように表されるものとする。
- 管摩擦による損失: ダルシー・ワイスバッハの式 $h_f=\lambda \frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}$、管摩擦係数 $\lambda =0.018$
- 入口（A から管へ）の損失: ${\zeta }_{\mathrm{in}}\frac{V^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{in}}=0.5$
- 弁の損失: ${\zeta }_{\mathrm{v}}\frac{V^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{v}}=1.5$
- 出口（管から B へ）の損失: ${\zeta }_{\mathrm{out}}\frac{V^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{out}}=1.0$

重力加速度の大きさを $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とする。管内の平均流速 $V$ は何 $m/s$ か。有効数字 2 桁で求めよ。

大気に開放された大きな水槽から、内径 $D=0.10\mathrm{m}$、全長 $L=25\mathrm{m}$ の太さが一定の円管（サイフォン管）で水を汲み出す。管の出口は、水槽の水面より $H=3.5\mathrm{m}$ 低い位置にあり、水は出口から管と同じ断面のまま大気中へ自由噴流として流れ出る。管内は水で満たされ、流れは定常である。

管路の途中には、管路で最も高い点 C がある。管の入口から点 C までの管に沿った長さは $L_1=8.0\mathrm{m}$ である。損失は次のものだけを考える。
- 管摩擦損失：管摩擦係数 $f=0.020$ のダルシー・ワイスバッハの式 $h_f=f\frac{l}{D}\frac{V^2}{2g}$（$l$ は管の長さ、$V$ は断面平均流速）
- 入口損失：損失係数 $K_{\mathrm{in}}=0.50$
- 曲がり部の損失：管路には曲がり部が 2 か所あり、それぞれ損失係数 $K_b=0.25$。そのうち 1 か所は入口と点 C の間に、もう 1 か所は点 C と出口の間にある

局所損失はいずれも $K\frac{V^2}{2g}$ で表されるとする。大気圧を $p_a=1.013\times 10^5\mathrm{Pa}$、水の密度を $\rho =1.0\times 10^{3}kg/{\mathrm{m}}^3$、重力加速度の大きさを $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とし、断面内の速度分布の影響（運動エネルギー補正係数）は無視して $1$ とする。

空気の分離やキャビテーションを防ぐため、点 C の絶対圧力を $p_{\min }=3.0\times 10^4\mathrm{Pa}$ 以上に保ちたい。点 C を水槽の水面から最大で何 m の高さまで上げることができるか。有効数字 2 桁で求めよ。

大気に開放された大きな水槽の底近くの側面に、内径 $D=0.050\mathrm{m}$、全長 $L=20\mathrm{m}$ の円管が取り付けられ、水が管の出口から大気中へ噴き出している。管の出口は水槽の水面より $6.0\mathrm{m}$ 低い位置にある。水槽は十分大きく、水面の高さは変わらず、水面での流速は無視できるものとする。流れは定常とする。

管の途中には $90^{\circ }$ エルボが 2 個と弁が 1 個ある。管内の平均流速を $v$、重力加速度の大きさを $g$ として、各損失ヘッドは次のとおりとする。
- 管摩擦損失（ダルシー・ワイスバッハの式）: $h_f=\lambda \frac{L}{D}\frac{v^2}{2g}$、管摩擦係数 $\lambda =0.025$
- 管入口の損失: ${\zeta }_{\mathrm{in}}\frac{v^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{in}}=0.50$
- エルボ 1 個あたりの損失: ${\zeta }_{\mathrm{b}}\frac{v^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{b}}=0.30$
- 弁の損失: ${\zeta }_{\mathrm{v}}\frac{v^2}{2g}$、${\zeta }_{\mathrm{v}}=1.9$

これら以外の損失は無視し、出口から噴き出す噴流の圧力は大気圧に等しいとする。$g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$ とする。このとき、管を流れる水の体積流量は何 $L/s$ か。有効数字 3 桁で求めよ。

水平に置かれた配管で、水が分岐点 P で 2 本の円管 1, 2 に分かれ、合流点 R で再び 1 本に合流している（並列管路）。水は分岐前の管を体積流量 $Q=0.020{\mathrm{m}}^3/s$ で定常に流れている。

• 円管 1: 内径 $D_1=0.10\mathrm{m}$、長さ $L_1=100\mathrm{m}$、管摩擦係数 ${\lambda }_1=0.020$。局所損失はない
• 円管 2: 内径 $D_2=0.050\mathrm{m}$、長さ $L_2=25\mathrm{m}$、管摩擦係数 ${\lambda }_2=0.025$。途中に損失係数 $\zeta =7.5$ の弁が 1 つある

内径 $D$、長さ $L$、管摩擦係数 $\lambda$ の円管の摩擦損失ヘッドはダルシー・ワイスバッハの式 $h=\lambda \frac{L}{D}\frac{V^2}{2g}$（$V$ は断面の平均流速）で、弁の損失ヘッドは $\zeta \frac{V^2}{2g}$ で表されるとする。分岐点・合流点での損失と、分岐点と合流点での速度ヘッドの差は無視する。管摩擦係数は流量によらない一定値とし、重力加速度の大きさを $g=9.8m/{\mathrm{s}}^2$、$\pi =3.14$ とする。

分岐点 P から合流点 R までの損失ヘッドは何 $\mathrm{m}$ か。有効数字 2 桁で求めよ。